深埋岩溶隧道涌水最大水头压力评估VIP免费

第19卷增刊2004年6月地球科学进展ADVANCEINEARTHSCIENCESVol.19Suppl.Jun.，2004文章编号：1001-8166（2004）增-0363-05深埋岩溶隧道涌水最大水头压力评估徐则民1，黄润秋2，范柱国1，吴培关1（1.昆明理工大学土木工程系，云南昆明650224；2.成都理工大学工程地质研究所，四川成都610059）摘要：深埋隧道涌水最大水头压力的预测具有重要的实际意义。提出了充水水源为地下暗河、充水通道为管状、板状及裂隙网络3种条件下深埋岩溶隧道涌水水头压力的近似计算公式。关键词：深埋隧道；涌水；水头压力中图分类号：P642文献标识码：A近年来，我国铁路、公路系统为了有效地缩短线路里程、改善运营条件，相继建成了一大批深埋特长隧道；水电行业也在跨流域调水及大型水电工程中，兴建了许多特长引水隧洞。今后，随着施工技术的发展，这些特长隧道将会越来越多，长度也将越来越大［1，2］。深埋特长隧道所遇到的最主要的灾害问题之一是（涌）突水，而在各类隧道中，以碳酸盐岩中的岩溶隧道的涌水问题最为突出，如广渝高速公路华莹山隧道、川藏公路二郎山隧道等。涌水包括2个方面的问题，第一是涌水量，第二是涌水的水头压力。过高的水头压力不仅直接威胁施工人员及设备的安全，而且将严重影响衬砌施工。这种现象在岩溶隧道特别是深埋岩溶隧道中表现得尤为突出。主要原因在于岩溶含水层中不仅水量丰富而且分布很不均匀，隧道的大埋深往往使得地下水位高出洞顶几百米。台湾双线高速公路隧道全长12.9km，地下水位高出隧道中线300m；渝怀线某特长隧道，地下暗河水位高出隧道顶板近400～500m；山西引黄工程南干线7号水工隧洞全长47km，最高地下水位高于岩溶隧道300m。到目前为止，隧道涌水压力还没有象涌水量那样受到人们的普遍关注，一般是用下式对其进行大致的估算p＝ΔHγ（1）式中p为水头压力，ΔH为地下水位与隧道标高之间的高差，γ为水的容重。工程实践表明，用（1）式估计的涌水压力过于粗糙。长9.95km的天生桥二级水电站引水隧洞，岩溶管道水水位高出隧洞底板400m，没有发生大规模涌水，涌水的水头压力也很低；长16.88～18.82km的锦屏二级水电站引水隧洞的最大埋深达2500m，岩溶管道水位比隧洞标高至少高出400m，勘探平洞3948m处突水，喷水距为35～37m，实测水头压力达到6.5MPa。也就是说，p与ΔH之间并非是简单的线性关系，用（1）式来计算水头压力往往是不可靠的。图1多级排泄基准面控制的多序次岩溶水系统Fig.1Multi-classKarstwatersystemcontrolledbymulti-classdischargedatumplanes岩溶洞穴（管道）发育深度的准确判定是水头压力预测的基础。一般地说，岩溶洞穴发育深度和岩溶水水平循环带的下限基本上是一致的，该深度收稿日期：2004-04-10．*基金项目：教育部科学技术研究重点项目（地方02140）资助．作者简介：徐则民（1963-），男，教授，博士生导师，主要从事斜坡稳定及长大隧道施工地质灾害研究．E-mail：zeminxu＠vip.km169.net）以下，由于地下水径流缓慢甚至停滞，岩溶不发育；岩溶洞穴发育深度受控于岩溶水排泄基准面的高程，但在某些情况下，由于多级径流系统（图1）的存在，使得岩溶洞穴发育深度问题变得较为复杂。如果，岩溶洞穴发育深度判断准确的话，用（1）式来估计水头压力所产生的误差主要是由于它忽略了地下水运移过程中的各类水头损失而产生的。1水的运移与沿程水头损失任何形式的水流，无论是地下水、地表水还是管路水，它们的运动都是在一定的介质中进行的。由于水是一种粘滞性液体，它在运动过程中必然和介质之间产生摩擦，从而消耗其能量。由于水头是描述水流能量的最常见的方式，因此，水的运动必然伴随水头损失［3］。图2沿程水头损失与介质摩擦阻力［4］Fig.2Waterheadlossandfrictionalforcefrommedium［4］在某非稳定三维渗流区内，引入渗流的概念，即，假设水流充满了整个过水断面，介质对水流的阻力全部来自管壁，且水流通过任一断面的流量、任一点的水头均和实际水流相同。在渗流场内，取一截面积A和长度l均为无限小的流管，流管周长为c，作用于流管2个断面上的压强分别为p1和p2；2个断面的位置高度为z1和z2（图2）。在无限小的时间段Δt内，可...